相对论涡旋高次谐波的产生与调控理论研究

目前,具有螺旋相位波前和环状光强分布的涡旋光束已在光学领域获得了广泛应用,其产生与调控自然成了研究的热点。利用三维粒子模拟程序对双色拉盖尔高斯激光驱动固体等离子激发同时携带自旋角动量与轨道角动量的高次谐波的物理过程进行了研究,根据高次谐波产生过程中的光子能量与角动量守恒定律对其内在物理机制进行了理论分析,并讨论了对谐波阶次、偏振态（自旋角动量）以及拓扑荷数（轨道角动量）进行调控的方法。研究结果为开发高亮度、超短超快、短波长、自旋与轨道角动量可调控的涡旋光束辐射源提供了理论依据,在光学微操控、超分辨成像、光通信以及离子加速等领域具有较大的实际应用前景。     

光子飓风——具有光子横向轨道角动量的时空涡旋

众所周知,光子具有沿传播方向的线性动量。光子的线性动量在光与物质的相互作用中具有重要的作用。光子与物质的动量交换可以产生光压。2018年获得诺贝尔物理学奖的光镊技术基于微纳米颗粒对光子动量改变产生的光场梯度力。光子也具有沿传播方向的角动量,包括与圆偏振相关的自旋角动量和与涡旋相位关联的轨道角动量。近年来,研究表明在高数值孔径聚焦光场和隐失波光场中存在垂直于光束传播方向的光子横向自旋角动量[1]。那么是否存在垂直于光束传播方向的光子横向轨道角动量呢(图1)?我们最新的研究给出了肯定的答案,成果发表于《自然—光子学》[2]。     

圆偏振涡旋光致非轴向自旋和轨道运动研究

为了实现粒子的非轴向旋转操控,对圆偏振涡旋光的光致旋转特性进行了研究。理论上,利用T矩阵理论,计算光场作用于微粒的光力和力矩,分析圆偏振涡旋光场中自旋角动量和轨道角动量的取向对非轴向旋转效应的影响。研究结果表明：当轨道角动量和自旋角动量的方向相同时,粒子除受轨道矩和轴向自旋矩作用外,还受一个可观的横向自旋矩作用,可以诱导粒子同时做轨道和非轴向自旋运动;当轨道角动量和自旋角动量方向相反,则粒子受到的横向自旋矩难以驱动其做非轴向自旋运动。实验上,利用全息光镊系统捕获微米尺度的粒子,观察到粒子做轨道运动时的非轴向自旋现象,对理论研究结果进行了初步验证。     

部分相干圆偏振贝塞耳-高斯光束经高数值孔径透镜的聚焦

研究了部分相干圆偏振贝塞耳一高斯光束经高数值孑L径透镜的聚焦特性.基于德拜矢量积分理论,分别推导出了部分相十圆偏振涡旋光束经过高数值孔径透镜聚焦以后的光强和偏振度表达式.根据数值模拟的结果,比较了左旋和右旋圆偏振涡旋光束的不同深聚焦特性以及相关参量对涡旋光束深聚焦特性的影响.研究表明,入射光束的相关参数和聚焦透镜的数值孔径大小都会影响光束的聚焦特性.此外,还得出一个重要结论,部分相于圆偏振涡旋光束经高数值孔径透镜聚焦以后.光束本身带有的白旋角动晕会转化成轨道角动量,这一研究成果对于利用涡旋光束进行微粒操控等方面应用具有十分重要的意义.     

光束正入射至界面时的自旋-轨道相互作用及其增强

光束正入射至均匀突变界面时的自旋-轨道相互作用表现为拓扑荷数为±2的、自旋可控的涡旋相位.然而,该涡旋相位的物理来源以及界面的性质在自旋-轨道相互作用过程中起到何种作用,这些问题还有待解决.首先建立一个简洁的菲涅耳琼斯矩阵来描述这种自旋-轨道相互作用,并揭示其中的涡旋相位其实是一种贝里(Berry)几何相位,它来源于光束本身的拓扑结构,而界面的性质影响自旋-轨道相互作用的转换效率.一般情况下,转换效率极低,限制了其应用.因此,基于上述理论,提出采用光轴平行于界面法线方向的单轴薄层材料,来极大地增强这种自旋-轨道相互作用.     

石墨烯表面涡旋光束的局域动力学特性分析

结合角谱展开方法和矢量势方法,推导了拉盖尔高斯涡旋光束在石墨烯表面反射后的电磁场分量显式表达式。分析了光束的入射角和拓扑荷数,以及石墨烯-衬底系统的费米能量和磁场对涡旋光束在石墨烯表面反射后局域动力学特性的影响。数值结果表明,石墨烯表面反射涡旋光束的能量、动量、自旋/轨道角动量密度分布随着光束入射角和拓扑荷数的变化发生显著变化。同时,改变石墨烯-衬底系统的费米能量和磁场可以有效调节反射涡旋光束的局域动力学特性。为基于涡旋光束局域动力学特性对石墨烯的表征以及基于石墨烯对涡旋光束的调控奠定了理论基础。     

基于旋转超表面的相干自旋霍尔效应的可调光束（英文）

基于光子的自旋霍尔效应,超表面可用于光束的产生和控制。本文基于旋转变换利用一维纳米孔链设计了二维纳米孔旋转对称超表面。利用此样品,可以由左旋圆偏振(LCP)和右旋圆偏振(RCP)光的自旋霍尔效应同时产生贝塞尔光束。利用线偏振光激发,通过控制两个圆偏振光激发光束之间的相干干涉可动态调控贝塞尔光束的强度和偏振。同时,此方法还具有宽带调制的优点。     

矢量涡旋光束的生成与模式识别方法

与宏观物体类似，光子等微观粒子也可携带角动量。光子的角动量包括自旋角动量和轨道角动量，两种角动量的共同作用产生了一种新型结构光束，即矢量涡旋光束。矢量涡旋光束具有各向异性的波面和偏振分布，提供了多种光场自由度，在量子技术、光通信、激光探测、激光加工、高分辨成像、光镊等前沿领域展现了巨大的应用潜力，吸引了国内外学者的广泛关注。高效地生成矢量涡旋光束，以及高精度地识别矢量涡旋光束的模式分布，是其应用的关键。本文简要回顾了国内外学者在矢量涡旋光束的生成与模式识别方面的研究工作，同时系统梳理了本文作者过去十年在该方面的研究进展，重点介绍了其相关代表性成果。     

基于圆偏振涡旋光束强聚焦的平顶光束的构成

由于圆偏振涡旋光束可以表征为柱坐标的径向矢量光束和角向矢量光束的线性叠加,因而在研究其聚焦特性时,必须考虑具有拓扑核的径向矢量光束聚焦后有角向分量和角向矢量光束聚焦后有径向分量。在修正关于圆偏振涡旋光束强聚焦公式的基础上,重新模拟计算了不同拓扑核的圆偏振涡旋光束的强聚焦特性。结果显示不仅单自旋手性的圆偏振涡旋光束聚焦能形成平顶光束,而且两束不同的自旋手性的涡旋光束的叠加聚焦也可以实现平顶光束。通过调节光束的振幅、束腰半径以及遮挡通光孔径可以有效地改变平顶光束的半宽。     

柱矢量光束在透射时的自旋霍尔效应

有限光束矢量特性可以由全局化的特征单位矢量和广义琼斯矢量完整地描述,特征单位矢量平行于传播轴的光束为柱矢量光束。通过这种表示理论描述了在近轴近似条件下柱矢量光束的透射情况。在透射过程中光束的特征单位矢量发生了变化,透射光束的特征单位矢量既不平行于传播轴,也不垂直于传播轴。特征单位矢量的变化导致光束产生了一个与入射面垂直的横向位移,同时这个横向位移和光束的偏振椭圆率有关,不同圆偏振态(左旋和右旋)的透射光束所产生的横向位移的方向相反。这一结果和近年来在实验中检测到的均匀偏振光束的自旋霍尔效应类似,表明柱矢量光束在透射过程后也会产生光的自旋霍尔效应。     

矢量涡旋光束的模式连续可调生成技术

矢量涡旋光束是一种新型的结构光束,具有横截面各向异性分布的偏振态,同时携带有轨道角动量。矢量涡旋光束的这些独特性质使得其在光通信、光镊、激光加工等领域具有重要的应用价值。对于不同的应用,所需的矢量涡旋光束的偏振态、相位分布不同,因此偏振、相位模式连续可调的矢量涡旋光束的生成系统是矢量涡旋光束应用的重要基础。报道了本课题组在矢量涡旋光束生成方面的工作,主要介绍了腔外模式连续可调的矢量涡旋光束的生成方法,以及矢量涡旋光束阵列的生成方法。     

径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的传输及其偏振特性

理论和实验研究了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束在自由空间传输的光强分布和偏振特性.数值计算表明,在无衍射区域,随着传输距离的增加,光强分布基本保持不变;对于零阶光束,其偏振态一直保持径向偏振不变;对于高阶光束,其偏振态发生变化,由初始的径向偏振逐渐变为椭圆偏振和线偏振的杂化状态.实验上,利用径向偏振转换器、螺旋相位板和轴棱锥元件产生了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束,探测了其通过不同偏振片后的光强分布.实验结果与理论结果基本相符合.该研究也提供了一种产生杂化偏振矢量光束的方法.     

用波晶片相位板产生角动量可调的无衍射涡旋空心光束

本文提出了一种用波晶片产生无衍射涡旋空心光束的新方案. 根据晶体双折射的性质, 设计波晶片的厚度, 在一块晶体薄片上对o光和e光分别形成各自的四台阶相位板, 线偏振光入射到该相位板后, o光和e光衍射按强度叠加, 利用准伽利略望远镜系统聚焦, 得到近似无衍射涡旋空心光束. 光路简单, 调节方便. 在近轴条件下, 运用菲涅耳衍射理论和经典电磁场角动量理论, 数值模拟计算了周期数不同的两块波晶片相位板衍射光强和角动量的分布, 结果表明: 两块相位板都能在较长距离内产生近似无衍射涡旋空心光束, 光强和轨道角动量的分布与螺旋相位板产生的涡旋光束基本相同. 在衍射光路中加入相位补偿器, 调节o光和e光的相位差可以调节自旋角动量的大小, 从而可以调节总角动量密度和平均光子角动量的大小. 用这种空心光束导引冷原子或冷分子, 原子在与光子相互作用过程中可获得可调的转动力矩.     

对称艾里涡旋光束的传播特性

提出了一种对称艾里涡旋光束.在对称立方相位的基础上引入螺旋相位因子形成新的相位图,加载该相位的高斯光束经傅里叶变换后产生对称艾里涡旋光束.研究表明:对称艾里涡旋光束出现自聚焦现象,且由于轴上涡旋的存在,其中心呈现中空现象,涡旋结构携带的轨道角动量使光束在初始平面处发生旋转,拓扑荷数越大,中空结构越大,旋转角度也越大,而拓扑荷数的正负仅改变光束的旋向.理论分析表明,离轴涡旋在初始平面处,因与光轴中心距离较远,并不会影响对称艾里光束主瓣的能量,即中心并无光强为零区域,但随着传播距离的增加,离轴涡旋逐渐出现在对称艾里光束其中的一个主瓣上.此外,对称艾里光束还可以加载多个离轴涡旋,能同时无损伤地捕获多个微粒.该光束不仅具有自聚焦特性,并且其中心呈中空结构,同时还携带轨道角动量,在光学微操纵与生物医学等方面有潜在应用.     

矢量光束界面反射透射的自旋霍耳效应

矢量光束的一般表示方法是利用投影矩阵和广义琼斯矢量的乘积描述.投影矩阵存在一个自由度,该自由度与有限光束的场矢量偏振状态有关,由特定的单位矢量与波矢量间的方位角决定,可以定量地描述矢量光束的偏振状态.本文在矢量光束描述的理论基础上,通过对投影矩阵进行与反射光束与透射光束传播方向相应的坐标旋转,根据麦克斯韦方程组及其边界条件,计算讨论在各向同性介质界面上反射、透射矢量光束的表示形式以及其自旋霍尔效应表现出的横向位移.线偏振光(光子自旋量为σ＝0)横向位移为零,圆偏振光束(光子自旋量为σ＝±1)位移量最大且左圆偏振与右圆偏振光束的位移大小相等方向相反,进一步分析了左圆偏振光束在界面上的反射、透射光束的横向位移与入射角的关系.     

转换反射中光自旋霍尔效应的自旋堆积方向

从理论上和实验上研究了转换反射中光自旋霍尔效应的自旋堆积方向的方法,建立了描述光束在空气-棱镜界面反射的自旋堆积模型,揭示了横移与光束入射偏振角的定性关系。研究发现,当入射角小于布儒斯特角时,随着入射偏振角的逐渐增大,自旋堆积的方向发生反转。而当入射角大于布儒斯特角时,自旋堆积的方向不再随入射偏振角的变化而反转。结果表明,在光束入射角为确定值且小于布儒斯特角的情况下,可以通过调控光束的入射偏振角转换自旋堆积的方向。转换自旋堆积方向的研究为有效调控光自旋霍尔效应提供了新的途径。     

碳酸钙微粒光致旋转的实验和理论研究

理论分析了由于光束轨道角动量和自旋角动量传递以及微粒的特殊形状导致微粒旋转的机理.实验建立了单光束激光光镊装置,不仅可以捕获并移动直径为微米量级的微小粒子,而且利用圆偏振光与微粒之间角动量的传递,实现了对具有双折射特性的碳酸钙微粒的光致旋转.实验中发现微粒的旋转不仅取决于光束的偏振态,还与微粒本身的形状有关,解释了实验中观察到的几种旋转现象.碳酸钙微粒旋转的最高转速达到12转/秒,转速与激光功率成正比.     

球差对圆偏涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

利用理查德-沃耳夫矢量衍射积分,分析了初级球差对圆偏振涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响,获得不同球差系数下的光强分布.结果表明,当初级球差系数增加,会聚光点偏离系统焦平面,纵向光场发生改变;焦点光强逐渐减小,焦平面光场发生变化;光轴上光强峰值逐渐减小,峰值两侧的旁瓣变化趋势相反,光强由对称分布变成非对称分布;初级球差对贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响不依赖其偏振态;离焦无法完全补偿初级球差对聚焦光场的影响.     

利用衍射光栅探测涡旋光束轨道角动量态的研究进展

涡旋光束是一种携带有轨道角动量的光束,在光学扳手、光通信、旋转探测等领域具有重要的应用价值.由于轨道角动量态是涡旋光束的特征值,因此如何探测光束的轨道角动量态分布至关重要.国内外学者已经提出了多种探测涡旋光束的技术,如干涉法、衍射光栅法、多普勒分析法、超材料表面法等.这些技术中,衍射光栅测量法较为简单易行,应用较广.本综述主要介绍了几种当前利用衍射光栅测量涡旋光束轨道角动量态的主流方法,同时也介绍了如何利用衍射光栅来测量光束的轨道角动量谱.     

单环多段光强分布检测光学涡旋拓扑荷值

针对涡旋光束检测范围局限这一问题, 提出了一种新的光学涡旋拓扑荷值检测方法-单环多段光强分布检测法, 它以分段数和环半径为两大检测常数, 将检测涡旋光束拓扑荷值范围扩大到了128种, 与以往利用旁瓣调控光学涡旋检测拓扑荷值方法相比, 检测范围扩大了1个数量级. 单环多段光强分布是基于计算机全息图实现在远场衍射焦平面上环半径相等的两束携带不同拓扑荷数的涡旋光束叠加后形成的光强分布. 计算机模拟和光学实验验证了所提出方法的可行性, 该方法在自由空间光通信领域具有一定的研究价值和应用潜力.